Pudelación

Tras el horno de pudelación, la masa fundida pasaba al tren de laminado, en donde una serie de rodillos la comprimían y conseguían extraer más impurezas mediante presión. Esto confería una ventaja adicional, pues se podían dar determinadas formas al hierro (raíles, perfiles cuadrados o circulares, etc) si el último de tales rodillos tenía dichas formas grabadas y actuaba por tanto como un molde.

El procedimiento de Cort, junto con el anterior desarrollo del hierro colado por Abraham Darby I, permitió aumentar la producción y atender la fuerte demanda de hierro durante esta etapa de la Revolución Industrial para la fabricación de maquinaria, puentes, armamento y otros usos en la construcción. También sirvió para proporcionar hierro barato para la exportación. Así, en la Inglaterra de finales de siglo, se exportaba un 15-20 % de la producción total. La llegada del ferrocarril volvió a incrementar la demanda de hierro pero, gracias a las mejoras anteriores, la producción se cuadruplicó en 20 años. Al mismo tiempo, el precio disminuía, pasando de 42 libras por tonelada en 1750 a 25 libras en 1820.[1]

Tras generalizarse el pudelado, la producción de hierro siguió concentrada en el Reino Unido, lo que dio una ventaja considerable a este país. Unas décadas más tarde, el proceso se emplearía en otros países: llegó a Silesia superior en 1802, a Francia en 1817, y hacia 1825 a la región del Ruhr. En Bélgica se conseguiría también un desarrollo importante.[2]

No obstante lo anterior, hacia 1825 el precio del hierro inglés era la mitad que el del hierro francés; y hacia 1850, el Reino Unido aún producía cuatro veces más hierro que Francia y Alemania juntas.

Horno de reverbero utilizado en el pudelado:
A: Puerta de alimentación del combustible; B: Bóveda refractaria; C: Tirantes; D: Parrilla; E: Puerta de trabajo; F: Zona de trabajo y solera; G: Placa de sujeción; H: Altar

El horno de reverbero ya era conocido en la metalurgia de los metales con puntos de fusión más bajos, como el estaño, el plomo o el cobre. La idea de extender su principio al afinado del hierro fundido aparece por primera vez en la patente que presentó Peter Onions el 7 de mayo de 1783.[nota 1] Pero el desarrollo del proceso en la factoría Dowlais and Cyfarthfa Ironworks no tuvo éxito, y el director de la fábrica William Reynolds le ordenó abandonar las pruebas el 17 de febrero de 1784.[3]

El 13 de febrero de 1784, el inglés Cort presentó la patente para un horno de reverbero ligeramente diferente.[3] La solera sobre la que trabajaba era un montón -cuidadosamente dispuesto- de materiales refractarios, cuarzo y arena. La combustión del carbono presente en el hierro fundido, que se producía mediante una corriente de aire, era muy lenta y debía activarse mediante la manipulación de la masa metálica. A pesar de ello, la duración de la reacción producía una elevada reducción del carbono, pero también una considerable oxidación del hierro.[L 2] Este proceso tenía otras limitaciones:

• Compuesta esencialmente por sílice, la solera no reaccionaba con el silicio contenido en la fundición. Sin embargo, este silicio tenía que oxidarse para obtener hierro maleable en caliente.[nota 2] Solo las fundiciones con bajo contenido de silicio, denominadas fundiciones blancas, eran adecuadas para este proceso.[nota 3]·[T 1]
• La oxidación del metal conducía a un consumo de más de dos toneladas de fundición blanca para producir una tonelada de hierro.[T 1]
• El óxido ferroso producido durante la oxidación del hierro fundido se mezclaba con la arena del hogar. Este óxido, que tiene un punto de fusión de 1369 °C, se adhería a solera, que se volvía pastosa y se deterioraba rápidamente.[T 1]

El proceso de Cort se llama "pudelado en seco" porque la fundición blanca no es muy viscosa en caliente y la solera, que no es muy fusible, generaban poca lechada. El proceso permitía obtener hierro en cantidad, pero sin reducir significativamente los costes. En consecuencia, su principal ventaja se limitaba al combustible, que podía ser carbón de mala calidad (turba o lignito) o incluso madera.[L 2]

Tal como fue iniciado por Cort, el pudelado en seco solo fue adoptado por "las fábricas que no podían abastecerse de carbón, y Cort murió en 1800 sin haber aprovechado su invento".[L 2]

En 1818, Samuel Baldwin Rogers inventó un hogar sostenido por una placa de hierro fundido enfriada por agua (otros adoptarán más adelante el hogar enfriado por aire).[T 1] Pero era "innegable que el enfriamiento vigoroso […] aumentaba el consumo de combustible, aunque este gasto era menor que el que implicarían las reparaciones frecuentes de un horno menos enfriado".[L 3] En efecto, si la bóveda refractaria solo duraba seis meses, una solera de hierro fundido podía utilizarse durante casi tres años.[P 2] Sin embargo, esta mejora seguía siendo demasiado marginal para que Rogers la aprovechara.[4]

Alrededor de 1830, después de algunos experimentos, Joseph Hall retomó el desarrollo del hogar enfriado, pero lo cubrió con un revestimiento refractario oxidante. Esta innovación la sistematizó en la fábrica que acababa de fundar en Tipton.[T 2] De hecho, el oxígeno necesario para la refinación provenía de este revestimiento en contacto con el metal, en lugar de provenir de una corriente de aire. El proceso era más rápido y la producción de un horno se triplicaba en comparación con el proceso anterior. El relleno de Hall, llamado "bull dog", se componía esencialmente de óxidos de hierro tostados procedentes de pudelados anteriores. La velocidad de la reacción reducía significativamente el consumo de combustible y las pérdidas por oxidación.[L 2]

Estas mejoras supusieron un avance fundamental. El proceso mejorado y patentado por Hall en 1839, llamado "pudelado graso" o "ebullición", a diferencia del método primitivo de Cort, se extendió rápidamente:

En los viajes metalúrgicos de los señores Dufrénoy, Coste y Perdonnet, se observa (1ª edición) que en 1823 todavía era general el uso de soleras de arena. Hacia 1820 se comenzó a sustituir la arena por escoria triturada. En 1829, hay soleras de hierro fundido aquí y allá, pero los autores agregan que al pudelar directamente sobre el hierro fundido (sin una capa de chatarra o escoria), los resultados fueron defectuosos. Finalmente, en 1837 (2ª edición), los hogares de fundición de hierro eran de uso general.[G2 1]

Emmanuel-Louis Gruner, Traité de métallurgie, p. 168, nota al pie de página

Con una composición adecuada de óxidos, el proceso era además bastante eficaz en la desfosforación y permitía utilizar minerales de hierro con fósforo, comunes en Europa. Pero no conseguía transformar económicamente las fundiciones muy cargadas de azufre y de fósforo en un hierro adecuado.[P 3] Cada maestro pudelador se esforzaba en perfeccionar empíricamente con más o menos éxito el reactivo colocado en la solera.[L 4]

El primer paso del pudelado consiste en cubrir el hogar con un material que reacciona con el hierro fundido utilizado. Se utilizan tres componentes:

• Óxidos generalmente de pudelados anteriores o del mineral de hierro hematita. Esta mezcla, recomendada por Hall, se tuesta y luego se enriquece con hierro oxidado. El objetivo es disponer de una sustancia capaz de suministrar oxígeno para acelerar la combustión del silicio y el carbono en la fundición.[L 5]
• También se recomiendan los minerales básicos, como la cal, que eliminarán el fósforo y el azufre.[nota 4][L 6]
• Fundentes, como el espato de flúor, que rebajan el punto de fusión de la escoria y permiten tener una colada suficientemente fluida como para garantizar un buen contacto de la escoria con la fundición.[L 6]

Los dos últimos componentes son mejoras del proceso de Hall. Las mezclas realizadas variaban según las fundiciones utilizadas y la calidad del hierro buscado. Las mezclas se realizaban de forma empírica y en ocasiones eran secretas, por lo que "se han propuesto e intentado añadir un gran número de sustancias cuyo efecto no puede sino ser absolutamente opuesto al fin perseguido".[L 4]

Esta capa de escorias y óxidos se calentaba hasta su fusión. Luego, durante el pudelado se reducía la temperatura para que se solidificara una costra que protegía el hogar de hierro fundido al mantenerlo aislado.[L 7]

Evolución química de la colada durante el pudelado

A continuación, se cargaba el arrabio fundido sobre esta capa de óxidos. Como el pudelado se podía realizar sobre una solera básica, era posible tratar fundiciones ricas en silicio o fósforo. Las cualidades del producto final también eran importantes en la elección de las fundiciones. Para producir acero, las fundiciones ricas en manganeso (las spiegeleisen) eran esenciales porque este elemento retrasa la descarburación.[L 8][G2 2] La fundición gris, rica en silicio, acidificaba la escoria generando sílice, lo que limitaba la desfosforación.[L 8] La fundición blanca, baja en silicio, era la más fácil de descarburar.

Tan pronto como la fundición de hierro comenzaba a derretirse, intervenía el pudelador. Su trabajo comenzaba cuando notaba la aparición de pequeñas llamas azules que salían de la superficie del líquido, características de la combustión del carbono. Luego, bajaba la temperatura del horno limitando el tiro de la chimenea y comenzaba a remover la colada de hierro para ponerla en contacto con los materiales de la solera.[T 4] El conjunto de operaciones "requiere un gran esfuerzo muscular y en condiciones agotadoras".[P 4][P 5] También exigía obviamente una gran destreza:

… el trabajo del obrero consiste […] en remover el hierro colado y la escoria con la ayuda de una barra curvada en ángulo recto en su extremo; es la herramienta llamada “gancho”. Las partículas metálicas se mezclan así con los elementos oxidados y ambos quedan expuestos a la influencia del aire. Para operar la mezcla, la puerta de trabajo en sí no se abre. El trabajador experimentaría un calor excesivo y el horno mismo se enfriaría. Nos contentamos con introducir las herramientas mediante una simple apertura de entre 10 y 15 cm en el lateral del horno, practicada en la parte inferior de la puerta, y fácil de cerrar...

A medida que el hierro se purifica, se vuelve menos fusible;[nota 5] por lo tanto, es necesario para poder continuar removiendo, aumentar gradualmente la temperatura, volviendo a abrir gradualmente la compuerta de la chimenea.

En lugar del gancho, el trabajador utiliza con bastante frecuencia una antigua herramienta biselada, llamada "palet", que permite despegar de la solera las partes que se han enfriado o endurecido, y que tienden a adherirse a ella.[G2 3]

M.L. Gruner, Traité de métallurgie, p. 171 § 404

La descarburación de la fundición provocaba burbujeo, correspondiente a la liberación de monóxido de carbono. Cuando se detenía, se podía incrementar aún más la descarburación hasta obtener hierro, realizando giros de hierro, es decir volteando la masa ferrosa para completar la conversión.[L 9]

Cuando el pudelador consideraba que la colada ya estaba refinada, dividía la masa metálica en unas pocas bolas, que se prensaban en el horno para purgarlas de escoria.[L 9]

La extracción de estas bolas fuera del horno debía ir seguida inmediatamente de un proceso de martillado o laminación para extraer la última escoria[nota 6] y darle una forma utilizable, generalmente barras.[7] Durante esta fase, el comportamiento del metal caliente permitía juzgar su calidad: un alto contenido de azufre lo volvía quebradizo, y la emisión de chispas azules indicaba una descarburación insuficiente. Si se estimaba necesario, la plancha se podía volver a colocar en el horno para un tratamiento posterior.[L 10]

Una vez que el horno estaba vacío, se inspeccionaba la solera para repararla si fuese necesario. En el caso de un revestimiento básico, la escoria se saturaba con óxidos de azufre y fósforo, por lo que se calentaba hasta el estado líquido y luego se vertía fuera del horno.

Carga del arrabio

Pudelador agitando la carga con su gancho

Extracción de la bola de hierro pudelado del horno

Colada de escorias

Ejemplos de disposición de barras de hierro en atado, antes de forjarlas. Las partes oscuras son hierros ya forjados, y las claras son barras de hierro solo cingladas

Durante el cinglado, la escoria fluía en abundancia, y las partículas de metal se soldaban entre sí cada vez más.[L 10] Para obtener este resultado, era necesario que la operación de pudelado diese como resultado una escoria con un punto de fusión bajo, lo que llevaba a limitar su contenido de magnesia o de cal. La escoria podía entonces ser solo esencialmente silícea, lo que degradaba la eficacia de la oxidación del carbono, el fósforo y el azufre, o contener fundentes, como espato de flúor.[L 11] Al final del cinglado, se obtienen barras de hierro en bruto. La oxidación de su superficie era tanto más importante cuanto más prolongado era el trabajo en caliente.[L 10]

Por lo tanto, un buen cinglado era inseparable del pudelado. En 1783, un año antes de patentar el refinado mediante el horno de reverbero, Cort presentó una patente para un laminador estriado, capaz de trabajar el metal sin estirarlo.[P 6][nota 7]

Una vez trabajado, el hierro en bruto se cortaba en pequeñas barras que se clasifican según su calidad. Se apilaban en fardos, dispuestos en ángulo recto. Era posible disponer las piezas de hierro bruto según su calidad. Por ejemplo, si el paquete estaba destinado a convertirse en un riel, se colocaban los hierros más resistentes al desgaste en el perímetro exterior. Recalentados en un horno, estos paquetes de barras se soldaban y laminaban para fabricar perfiles de hierro comerciales.[P 8]

Martinete frontal utilizado para el cinglado de hierro en bruto después del pudelado

Prensa "cocodrilo" utilizada para el cinglado de hierro en bruto después del pudelado

Laminador de flauta utilizado para terminar el cinglado del hierro en bruto y convertir la bola de hierro en una barra

Por lo tanto, el hierro forjado a menudo se denominaba "fibroso". Consistía en una matriz de hierro en la que quedaban presentes la escoria del pudelado y la oxidación formada en la superficie de las piezas de hierro en bruto durante el cinglado.[8] La disposición de los paquetes permitía orientar estas impurezas de tal manera que limitaba su efecto nocivo.[P 9] Esto requería un proceso de forjado repetido y herramientas de gran potencia: esta es la era de los martillos pilones, capaces de perfeccionar el pudelado y de forjar piezas grandes con precisión.[P 10]

Puente Britannia, construido en 1850 con hierro pudelado, que estableció un nuevo récord con dos vanos de 140 m de luz cada uno

Viaducto de Garabit, construido en 1884 con hierro pudelado

El pudelado permitió obtener hierro con unas características superiores a la fundición: el puente del Carrousel de 1834 corresponde al apogeo de los puentes de fundición, mientras que el puente Britannia, inaugurado dieciséis años después y construido en hierro pudelado, traspasaba los límites de la construcción metálica existentes hasta entonces de forma espectacular.[9]

En un momento en que las fluctuaciones en la calidad del arrabio de un alto horno eran poco conocidas, el pudelado era un proceso muy interesante. De hecho, la solidificación de la fundición de hierro facilitaba la clasificación de los tochos de arrabio.[nota 8] La lentitud de la operación facilitaba su control y garantizaba el éxito del afinado siempre que el pudelador fuese competente.[10] Finalmente, una juiciosa disposición de las barras de hierro en bruto en los paquetes en los que se disponían antes de la forja mejoraba el comportamiento de las piezas fabricadas.[P 9]

Pero el hierro forjado seguía siendo un material heterogéneo. La forja estiraba las inclusiones de óxidos y escorias en fibras orientadas en una dirección específica, mientras que la matriz de hierro es isótropa.[11] Tensionando perpendicularmente estas fibras, se rompía fácilmente.[12]

La adopción del hierro pudelado también condujo a un importante esfuerzo de investigación sobre la corrosión, un fenómeno del que carecían la fundición de hierro y la piedra utilizados hasta entonces.[T 5] Por otro lado, su bajo contenido en carbono lo convertía en un material insensible al efecto del templado,[T 6] siendo especialmente adecuado para el roblonado en caliente.[13]

Metalografía de una pieza de hierro pudelado, paralela a su "fibra". El corte deja ver, en gris oscuro, las inclusiones estiradas por el forjado

Foto de una barra de hierro en bruto después de un laminado semicaliente.[nota 9] Ensayo realizado por Bessemer

El hierro pudelado es una forma particular del hierro forjado, caracterizada por el procedimiento siderúrgico utilizado para producirlo originalmente, la pudelación. Este procedimiento permitía eliminar una gran parte del carbono, del silicio y del azufre presentes en el arrabio. Su composición final debe tener una concentración de carbono inferior al 0,01% y de escoria menor del 0,003%.[14]

La microestructura presenta tanto granos de ferrita como restos de escoria en la dirección del laminado, característica que ya se intuye en la macrografía.

Este hierro muestra una gran resistencia a la corrosión, es muy dúctil y se emplea en la fabricación de tuberías, remaches, placas, etc. También se le suele denominar hierro dulce, forjado o suave.[14]

En cuanto a su composición química, su bajo contenido en carbono, inferior al 0,01%, hace que se le denomine hierro, a diferencia de los aceros, cuyo contenido de carbono por lo general puede variar entre el 0,02% y el 2%,[15] o entre el 0,03% y el 1,075%,[16][17] según las fuentes consultadas. Otra característica particular del hierro pudelado es su estructura microcristalina fibrosa, producto del efecto de las operaciones de cinglado y de laminado de la masa de hierro en caliente, que consigue orientar en una dirección preferente las inclusiones de escoria presentes en la masa de hierro.

La transición del hierro al acero en Gran Bretaña y Francia

Gustave Eiffel construyó su torre con hierro pudelado en 1889, lo que permite afirmar que el proceso todavía se seguía empleando a pesar de la aparición de los convertidores Bessemer y Thomas, inventados respectivamente en 1855 y 1877. De hecho, la lentitud del proceso de pudelado permitía obtener un buen control de su progreso, lo que garantizaba la calidad del metal obtenido, aunque ya por entonces la producción de acero acababa de superar a la de hierro en Gran Bretaña.[18]

Pero el consumo energético en el proceso de pudelación seguía siendo muy elevado: mientras que el convertidor solo utilizaba el calor resultante de la combustión de elementos indeseables (silicio, carbono y fósforo), el pudelado requería alimentar continuamente el fuego para mantener la carga caliente. Además, la eficiencia térmica de un horno de pudelar no superaba el 7%,[nota 10] escapando los humos del horno sin comunicar su calor a la carga. De hecho, las primeras pruebas para la recuperación del calor de combustión realizadas por Carl Wilhelm Siemens en su horno regenerativo debieron superar el problema de la contaminación generada por el humo en el material fundido.[L 12]

La invención del convertidor Martin-Siemens, que también es un horno de reverbero, pero equipado con recuperadores de calor, provocó el abandono paulatino del pudelado durante la primera mitad del siglo XX.[10] El horno regenerativo, que trabajaba el metal en estado líquido, requería menos mano de obra y combustible, al tiempo que permitía la producción de aceros de gran calidad.[nota 11]

En 1870, la producción de hierro en Francia era siete veces superior a la de acero, y en Gran Bretaña todavía era cinco veces mayor. Pero a partir de esa fecha casi no se construyeron más hornos de pudelado. En 1910, las proporciones se habían invertido: la producción de hierro ya no alcanzaba ni la quinta parte de la del acero en estos dos países.[18]